устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий, содержащее два датчика изображения, образующих друг с другом стереопару, протяженный источник света, оптически связанный с датчиками изображения, электронную систему регистрации и обработки видеосигналов и лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, отличающееся тем, что лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, расположен относительно стереопары из двух датчиков изображения так, чтобы линия лазерного пятна находилась в плоскости, образованной двумя главными осями датчиков изображения и посередине между этими осями.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах АСУ ТП промышленных предприятий. Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения диаметра труб и других цилиндрических тел.

Известно устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий, содержащее оптически связанный источник света, оптическую систему, предназначенную для переноса изображения в плоскость анализа, и дискретную линейку фотоприемников, сдвиговый регистр, индикатор и блок управления, причем количество фотоприемников в дискретной линейке равно количеству разрядов сдвигового регистра, индикатор имеет количество информационных входов, равное количеству разрядов сдвигового регистра (а.с. СССР N 1411586, кл. G01В 21/10, 1987). Недостаток устройства заключается в невысокой точности измерения и невозможности измерять изделия с большим диаметром.

Известно устройство для измерения диаметра изделий (а.с. СССР N 1767329, кл. G01В 21/10, 1992), содержащее последовательно соединенные датчик изображения, формирователь измерительных импульсов, схему U, блок счета импульсов заполнения, регистр, индикатор, делитель частоты, дополнительный счетчик, блок счета числа реализаций и дешифратор.

Устройство работает следующим образом. Датчик изображения формирует видеосигнал, соответствующий теневому изображению диаметра изделия, проецируемого на фотоприемную часть ПЗС-линейки. Видеосигнал поступает на вход формирователя измерительного импульса, где преобразуется в прямоугольный импульс, который поступает на вход схемы U, на второй вход этой схемы подаются тактовые импульсы D U. На выходе схемы U формируется пачка импульсов, число которых пропорционально диаметру измеряемого изделия. Недостаток устройства - нестабильность показаний и невозможность измерять изделия с большим диаметром.

Известно также фотоэлектрическое устройство для измерения диаметров цилиндрических тел (пат. РФ N 2095750, кл. G01В 11/08; 21/10). Устройство содержит датчик изображения, точечный источник света, оптически соединенный через коллиматор с датчиком изображения, измеряемое изделие и электронную систему регистрации и обработки видеосигналов. При этом измеряемое изделие располагается между коллиматором и датчиком изображения.

Устройство работает следующим образом. Точечный источник света 1, находящийся в фокальной плоскости коллиматора 2 и на его оптической оси, излучает конический пучок света с соответствующей данному источнику диаграммой направленности, который преобразуется коллиматором в коллимированный пучок, освещающий измеряемое изделие, тень от которого преобразуется датчиком изображения в видеосигнал, поступающий на входы пикового детектора, а также первого и второго формирователя измерительного импульса. Устройство имеет значительные преимущества по сравнению с известными устройствами по точностным характеристикам и стабильности. Однако это устройство не позволяет проводить измерения как изделий с большим диаметром, так как возможность устройства ограничивается длиной фотоприемной линейки. Чем больше диаметр измеряемого изделия, тем длиннее должна быть фотоприемная линейка, что накладывает существенные ограничения для измерения диаметра как при значительном перемещении изделия в пространстве, так и для изделий большого диаметра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий (DE 412405 А1, 11.02.1993), которое содержит два датчика изображения, образующих стереопару.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности устройства для бесконтактного измерения диаметра изделий.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для бесконтактного измерения диаметра изделий, содержащем два датчика изображения, образующих друг с другом стереопару, протяженный источник света, оптически связанный с датчиками изображения, электронную систему регистрации и обработки видеосигналов и лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, расположен относительно стереопары из двух датчиков изображения так, чтобы линия лазерного пятна находилась в плоскости, образованной двумя главными осями датчиков изображения, и посередине между этими осями.

На фиг.1 приведена схема устройства: 1 - датчик изображения, 2 - протяженный источник света, 3 - электронная система регистрации и обработки видеосигналов, 4 - второй датчик изображения, образующий с первым датчиком изображения стереопару, 5 - лазерный излучатель.

Устройство работает следующим образом.

Датчик изображения 1 получает теневое изображение изделия на фоне протяженного источника света 2. Второй датчик изображения 4 одновременно с первым датчиком изображения 1 также получает теневое изображение изделия на фоне протяженного источника света 2. Электронная система устройства по каждому из датчиков изображения определяет число ячеек фотоприемников, закрытых тенью изделия. Блок обработки видеосигналов по каждому из датчиков изображения определяет положение краев теневого изображения изделия в виде номеров ячеек фотоприемника, соответствующих границам теневого изображения. Для первого датчика изображения - это номера N1 и N2, для второго датчика изображения - номера M1 и М2. Поскольку первый датчик изображения образует со вторым датчиком изображения оптическую стереопару, то расстояние от устройства до края изделия определяется по известной формуле:

Где: Y1 - расстояние от устройства до одного края изделия, Y2 - расстояние от устройства до другого края изделия, a R() - предварительно полученная калибровкой функция зависимости расстояния Y от устройства до изделия от разницы (N-M). Координаты N1 и N2 краев теневого изображения изделия в датчике изображения соответствуют координатам краев X1 и Х2 самого изделия в реальном пространстве. Зависимость координат X1 и Х2 от N1 и N2 определяется с помощью формулы:

Где G(Y) - предварительно полученная калибровкой зависимость увеличения оптической системы датчика изображения от расстояния, N -номер ячейки фотоприемника, соответствующей краю изображения изделия, a N0 - предварительно определенный номер ячейки фотоприемника, соответствующий началу системы координат в пространстве изделия. Расстояния Y1 и Y2 до краев изделия, определенные по формуле (1), подставляются в формулу (2), и электронная система регистрации и обработки видеосигналов устройства производит расчет координат X1 и Х2 краев изделия по формулам:

В результате электронная система регистрации и обработки видеосигналов устройства получает двумерные координаты двух точек изделия, соответствующих двум краям. Поскольку заранее известно, что сечение изделия имеет в зоне регистрации форму круга, то на основе полученных координат, по известным геометрическим формулам, и производится расчет диаметра изделия.

Для повышении точности лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, ориентируют относительно стереопары из двух датчиков изображения так, чтобы линия лазерного пятна находилась в плоскости, образованной двумя главными оптическими осями датчиков изображения и посередине между этими осями. Также при проведении измерений устройство ориентируют так, чтобы линия лазерного пятна лежала в плоскости круглого сечения изделия, диаметр которого требуется измерить.

Проведенный расчет и испытания устройства с параметрами:

фокусное расстояние объективов датчиков изображения - 60 мм

расстояние между оптическими осями объективов - 100 мм

расстояние от объективов до изделия - 1500 мм

размеры площадки линейного матричного фотоприемника датчика изображения - 14·14 мкм

длина протяженного источника света - 500 мм

длина пятна лазерного излучателя - 500 мм

показали, что устройство обеспечивает измерение диаметра изделия в диапазоне расстояний до изделия от 1300 до 1800 мм с точностью 0,2 мм. При этом устройство обеспечивало измерение изделий диаметром до 350 мм также с точностью 0,2 мм.

Заявляемое устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий реализуется следующим образом. В качестве объективов датчиков изображения используются фотографические объективы с фокусным расстоянием 60 мм. В качестве матричных фотоприемников в датчиках изображения используются ПЗС - фотоприемники. Блок электронной системы регистрации и обработки видеосигналов использует аналогово-цифровые преобразователи и встроенный промышленный компьютер, представляющие собой стандартные элементы и устройства информационно-вычислительной техники и совместно с датчиками изображения и лазерным излучателем объединены в единый оптико-электронный блок. При проведении измерений изделие располагается между оптико-электронным блоком устройства и протяженным источником света, представляющим собой люминесцентную лампу.

Благодаря тому, что в предлагаемом устройстве лазерный излучатель, пятно которого имеет форму линии на измеряемом изделии, ориентируют относительно стереопары из двух датчиков изображений так, чтобы линия лазерного пятна находилась в плоскости, образованной двумя главными осями датчиков изображения, и посередине между этими осями, обеспечивается высокая точность измерений за счет высокой точности ориентирования и настройки при его ориентировании относительно измеряемого изделия, в том числе и для изделий большого диаметра.